Hekzagonal Bor Nitrür ve Kullanım Alanları

Refrakter malzemeler sınıfında yer alan, yüksek ergime noktasına sâhip, yüksek sıcaklıklara direnç gösterebilen bor nitrür bileşikleri, bor ve azot elementlerinin tepkimesinden elde edilen, formülü B_xN_x olarak bilinen yapılardır. Doğada kendi hâlinde bulunmayan bu bileşikler, ancak kimyâsal sentez yoluyla elde edilebilir. Bor nitrür bileşikler arasından en çok bilinen yapılar hekzagonal ve kübik bor nitrür ürünleri olup, bunların endüstriyel uygulama alanları da vardır.

BN yapılarının, hem periyodik cetvelde yan yana olması, hem de karbon atomuna komşu olmalarından dolayı farklı farklı allotropik yapıları bulunmaktadır. Bor nitrür bileşikleri, en eski bor-azot bileşikleridir, bu yapılar üzerine teorik, hesapsal ve deneysel çalışmalar mevcut olup, sanâyide de farklı uygulama alanlarına sâhiptir. Bor nitrür bileşiklerinin temel olarak 3 farklı allotropu bulunmaktadır.

α-BN yapısı, söz konusu allotroplardan birincisidir. Hegzagonal yapıya sâhip olan bu yapı ayrıca grafite benzer özellikler sergilemektedir. Grafit benzeri tabakalardan oluşmasından dolayı beyaz grafit olarak da bilinmektedir. β-BN yapısı, elmasa benzeyen yapıdır. Ancak yüksek basınçta elde edilen kübik bir yapıya sâhiptir. γ-BN yapısı son allotropik yapı olup, Wurtzit yapıya benzer özellikler sergilemektedir.

Söz konusu bu allotroplardan en çok bilinen ve en çok uygulama alanına sâhip olan α-BN yapısıdır. Hegzagonal yapıya sâhip olan bu allotrop tabakalardan oluşur (Şekil 1).

Şekil 1. Hekzagonal BN yapısı.

Şekil 1’de de gösterildiği gibi her tabaka düzlemsel olup, B₃N₃ altıgenlerini içermektedir. Tabakalarda bulunan B atomunun üstünde ve altında ise azot atomu gelecek şekilde tabakalaşma oluşur. Söz konusu bu tabakalar birbirlerine zayıf Van der Waals etkileşimleri ile bağlanırlar. Bu sebepten dolayı grafitte de olduğu gibi sürtünme ile bu tabakalar birbirinden rahat bir şekilde ayrılabilmektedir. Hekzagonal BN yapılarının bu şekilde olmasından dolayı ve tabaka yapılarının olmasından dolayı yağlayıcı olarak kullanıldığı bilinmektedir. Benzer özellik gösteren diğer yağlayıcılardan üstün özelliği ise 1200ºC’ye kadar yağlayıcı özelliğini koruyabiliyor olmasıdır. α-BN yapılarının çeşitli uygulama alanlarında kullanılmasının sebebi, birçok faydalı fiziksel ve kimyâsal özellikleri bir arada üzerinde birleştirmesidir. Bu özelliklere örnek olarak, düşük yoğunluğa sâhip olması, yüksek sıcaklığa dayanıklılık göstermesi, ergime noktasının yüksek oluşu, elektriksel iletkenliğinin zayıf, termal iletkenliğinin yüksek olması verilebilir.

Hekzagonal bor nitrür yapıları ilk kez 1842 yılında W.H. Balmain tarafından borik asit ve potasyum siyanür tepkimesinden ve alternatif olarak borik asit ve kükürt/civa - siyanür karışımının sentezinden elde edilmiştir. Lâkin tahmin edileceği gibi ilk sentez istenen saflıkta olmayıp, yapılan sentezler netîcesinde yan ürünlerin de elde edildiği rapor edilmiştir. Araştırmaların bu alana yoğunlaşmasıyla birlikte daha kararlı ve saflığı yüksek sentez yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak ise boraks ile amonyum klorürün tepkimesinden elde edilen BN yapıları örnek olarak verilebilmektedir. Hekzagonal BN’nin endüstriyel boyutta üretimi ise 1950 yıllarında gerçekleştirilmiştir. 1957 yılında Carborandum firmasının almış olduğu patent ile birlikte işlenebilen BN tozu elde edilmiş olup, sanâyide de kullanılmıştır. Günümüzde toz BN elde etmek isteyen bir kişinin uygulayabileceği birden fazla yöntem bulunmaktadır:

• Boroksitin amonyak ile tepkimesi
• Kalsiyum hekzaborürün boroksit eşliğinde nütrürleştirilmesi
• Borik asit veya boraksın organik azot bileşikleri ile tepkimesi

Yukarıda verilen her bir tepkimenin kendilerine göre avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Fakat hem saflaştırmanın daha basit olması hem de üretim sıcaklığının daha düşük olmasından dolayı son verilen yöntemin daha iyi olduğu bilinmektedir. Her üç yöntemde de elde edilen BN yapısı turbostratik (amorf) yapıdır. Elde edilen bu yapının ısıya mâruz bırakılmasıyla birlikte saf hekzagonal BN yapıları elde edilebilmektedir. Zamanla teknolojinin ve bilgiye erişme gücünün gelişmesi, Ar-Ge/Ür-Ge çalışmalarının artmasıyla birlikte BN yapılarının elde edilebileceği farklı yöntemler de gelişmiştir. Bunlardan bir tânesi Kimyâsal Buhar Biriktirme (CVD) yöntemidir. CVD yöntemiyle elde edilen ürün, pirolitik BN olarak bilinmektedir. Bor triklorür ve amonyak gazı reaktör içinde yüksek sıcaklıklarda tepkimeye sokularak, BN yapısı grafit altlıkların ya da mandrellerin üzerinde film tabakası olarak çöktürülerek elde edilmektedir. Bu yöntemle elde edilen BN yapılarının saflıkları oldukça yüksek olup, ince film olarak da elde edilebilmektedir. Yapılan araştırmalar netîcesinde, ince film olarak BN yapılarının çok farklı yöntemlerle de elde edilebileceği bilinmektedir (Şekil 2).

Şekil 2. 2015 yılında Aldalbahi ve arkadaşlarının elde etmiş olduğu BN yapısı

İleri teknolojik ürünlerin üretilebilmesi için BN fiber yapılar da önemli rol oynamaktadır. Kompozit malzeme üretiminde karbon fiberlerin yerini alabilecek olan BN fiber yapılar hem bilimsel hem de teknolojik açıdan birçok araştırmacı ve kurumun dikkatini çekmiştir. BN fiberlerin elektriksel iletkenliğinin olmayışı, daha uygun ve verimli sentez yöntemlerinin geliştirilmiş olması bu yapılara önem verilmesini sağlamıştır. BN fiberlerin sentezi ilk kez 1960’lı yıllarda ortaya konmuş olup, iki üretim yöntemi ön plana çıkmıştır:

• Bor trioksit fiberlerin nitrasyonu
• Polimer yöntemi

İster fiber olarak, isterse toz şeklinde bor nitrürün birçok kullanım alanları vardır. Kimyâ, metalürji, elektroteknik ve elektronik mühendisliği gibi birçok alanda uygulaması mevcuttur.

Toz BN

Hekzagonal BN tozu, yapısı gereği kaygan ve yumuşak bir dokuya sâhiptir. Beyaz renkli olmasından dolayı da beyaz grafit olarak da bilinmektedir. Elektriksel iletkenliği çok düşük olup, oksidasyona ve korozyona karşı oldukça dirençli olduğu bilinmektedir. 2500ºC’nin üstünde bile kullanılabilmektedir. Temel olarak toz BN, daha çok katkı malzemesi olarak kullanılmaktadır. Katkı malzemesi olarak kullanıldığı zaman,

• Termal şok direncinin sağlanması,
• İşlenebilirliğin arttırılması,
• Sürtünmenin azaltılması,
• Kalıp ayırıcı özelliğinin sağlanması,
• Elektronik özelliklerin arttırılması,
• Termal iletkenliğin arttırılması

gibi birçok özelliği sağlamaktadır. Toz bor nitrür, performans özelliklerinin arttırılması amacıyla silisyum nitrür ve alüminyum oksit bileşenlerine katkı maddesi olarak eklenmektedir. Silisyum nitrür, ısıl gerilmeye karşı direnci tek başına gösteremezken, toz BN katkılı olduğu zaman istenen direnç rahat bir şekilde sağlanmaktadır. Aynı şekilde toz BN katkılı alüminyum oksitin mekanik özellikleri belirgin bir şekilde artmaktadır.

Toz bor nitrür yukarıda bahsedildiği gibi mekanik özelliklerin arttırılması amacıyla kullanılırken aynı zamanda kozmetik sanâyiinde de kullanım alanı mevcuttur. Özellikle son zamanlarda kullanım alanı hızlı bir şekilde genişlemektedir. Başta ruj, maskara ve fondöten gibi kozmetik malzemelerde kullanılarak, malzemenin cilde bağlanması, uygulama rahatlığı, parlaklık ve kullanım ömrü gibi özelliklerinin artmasına sebep olmaktadır. Bu tarz ürünlerde toz BN, %1-2 oranında kullanılmaktadır.

Disperse BN

Bor nitrür, dispersiyona uğramış halde de kullanılabilmektedir. Fakat disperse edilebilmesi için uygun boyutta sentezlenmesi gerekmektedir. Piyasada bor nitrür spreyleri ve BN aerosol spreyleri satılmaktadır. Söz konusu bu spreylerin içerisinde yaklaşık %5 - %20 aralığında BN bulunmaktadır. Bu spreyler daha çok kalıplara ve fırınlara uygulanmaktadır ve aşağıdaki sözü edilen özellikleri sağladığı bilinmektedir:

• Yüksek sıcaklıklarda elektrik yalıtımı,
• Yüksek sıcaklıklarda iletkenlik,
• Yüksek sıcaklıklarda kalıp ayırıcılık,
• Korozyona karşı direnç,
• Kaydırıcılık özelliği,
• Ergimiş metallere karşı dayanıklılık.

Yukarıda ifâde edilen kullanım alanları dışında da pirolitik BN ve BN fiberlerin de çeşitli kullanım alanları mevcuttur. Fakat kullanılan BN’lerin benzer özellikleri sağladığı da raporlanmaktadır. Bu yazımızda daha çok beyaz grafit olarak bilinen hekzagonal BN üzerine durularak konuya giriş yapılmıştır. Peki farklı BN yapıları da mevcut mudur? Ya da Nano BN yapıları nasıldır? Sentez yöntemleri ve kullanım alanları nelerdir? Gelecek sayımızda bu sorulara cevap verilecek ve bor nitrür bileşiklerinin ne kadar geniş ve farklı uygulama alanlarının olduğu ortaya konulacaktır. Türkiye Yüzyılı vizyonunun gerçekleşmesi için Rabbimizin, ilmimizi arttırmasını dilerim…

Kaynaklar

Aldalbahi, A., Zhou, A. & Feng, P. Variations in Crystalline Structures and Electrical Properties of Single Crystalline Boron Nitride Nanosheets. Sci Rep 5, 16703 (2015).

Bhimanapati, G. R., Glavin, N. R., & Robinson, J. A. (2016). 2D boron nitride: synthesis and applications. In Semiconductors and semimetals (Vol. 95, pp. 101-147). Elsevier.

Ciftci, Okan. (2013). Chemical Vapor Deposition of Boron Nitride Nanotubes.

Ooi, N., Rajan, V., Gottlieb, J., Catherine, Y., & Adams, J. B. (2006). Structural properties of hexagonal boron nitride. Modelling and Simulation in Materials Science and Engineering, 14(3), 515.

Roy, S., Zhang, X., Puthirath, A. B., Meiyazhagan, A., Bhattacharyya, S., Rahman, M. M., ... & Ajayan, P. M. (2021). Structure, properties and applications of two‐dimensional hexagonal boron nitride. Advanced Materials, 33(44), 2101589.

Wang, J., Ma, F., & Sun, M. (2017). Graphene, hexagonal boron nitride, and their heterostructures: properties and applications. RSC advances, 7(27), 16801-16822.

Weng, Q., Wang, X., Wang, X., Bando, Y., & Golberg, D. (2016). Functionalized hexagonal boron nitride nanomaterials: emerging properties and applications. Chemical Society Reviews, 45(14), 3989-4012.

Yünlü, K. (2016). Bor: Bileşikleri, Sentez Yöntemleri, Özellikleri, Uygulamaları. Ankara: BOREN.

Zhang, K., Feng, Y., Wang, F., Yang, Z., & Wang, J. (2017). Two dimensional hexagonal boron nitride (2D-hBN): synthesis, properties and applications. Journal of Materials Chemistry C, 5(46), 11992-12022.

Ağustos 2024, sayfa no: 70-71-72-73